軟件概述

JCMsuite是計(jì)算復(fù)雜納米光學(xué)系統(tǒng)中電磁場的有限元求解器。其連續(xù)力學(xué)和熱傳導(dǎo)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜材料的建模，如應(yīng)力誘導(dǎo)的雙折射。利用所包含的光學(xué)成像和光源工具能夠完成全波長光學(xué)系統(tǒng)仿真的工作流程，如顯微鏡、散射儀或單光子光源(包括芯片光纖耦合和非相干效應(yīng))。

軟件特色

JCMsuite是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的高級(jí)數(shù)學(xué)方法和技術(shù)。它利用了有限元方法(FEM)的強(qiáng)大功能和靈活性來快速和準(zhǔn)確地獲得結(jié)果，并使用最新的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來優(yōu)化復(fù)雜的光學(xué)器件。

 CAD 和網(wǎng)格工具

 JCMsuite幾何和網(wǎng)格工具是專門為光子應(yīng)用而設(shè)計(jì)的

 形狀和幾何圖形：可以使用線性或彎曲單元?jiǎng)?chuàng)建各種CAD幾何圖形，如2D和3D圖元、擠壓體、圓角形狀和自由形狀

 對(duì)稱性：通過定義周期或鏡像對(duì)稱網(wǎng)格，或者通過在圓柱和扭曲坐標(biāo)系中工作，可以大大減少計(jì)算時(shí)間

 無限結(jié)構(gòu)：支持多層結(jié)構(gòu)、層狀外部域和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

 自適應(yīng)網(wǎng)格：自動(dòng)網(wǎng)格細(xì)化，邊角和法線細(xì)化可實(shí)現(xiàn)高度精確的計(jì)算

 Hp-FEM解算器

 有限元方法(FEM)提供了一種常規(guī)、嚴(yán)格、通用且非常快速的方法來解決科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)

 求解問題類別：JCMsuite解決了時(shí)間諧波麥克斯韋方程組的光散射問題、波導(dǎo)設(shè)計(jì)問題、光學(xué)共振問題以及線性彈性問題、熱傳導(dǎo)問題，以及這些類型的任何耦合問題類別

 自動(dòng)數(shù)值設(shè)置：根據(jù)基于殘差的誤差估計(jì)，自動(dòng)選擇各種數(shù)值設(shè)置，如有限元度、PML設(shè)置(完美匹配層)

 材料和光源：可以定義各種材料的性質(zhì)，如復(fù)合和各向異性材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率張量、色散性質(zhì)、熱導(dǎo)率和剛度。例如，可以通過平面波，周期性或孤立的偶極子，光束和波導(dǎo)模式來激發(fā)結(jié)構(gòu)

 后處理：特別關(guān)注光學(xué)中所有必要后處理的支持和高效計(jì)算，如傅里葉變換、遠(yuǎn)場、能量通量、重疊積分、光學(xué)成像、共振擴(kuò)展和Purcell因子

 分析和優(yōu)化工具包

 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)能夠有效地分析和優(yōu)化光學(xué)器件的性能

 優(yōu)化：貝葉斯優(yōu)化是一種高效的優(yōu)化方法，能夠在更短的計(jì)算時(shí)間內(nèi)開發(fā)高性能器件。其他支持的優(yōu)化方法包括下行單純形優(yōu)化、粒子群優(yōu)化、差分進(jìn)化和L-BFGS-B方法

 不確定度量化：光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)往往存在不確定性和波動(dòng)。該工具包包括幾個(gè)有效的方法來確定參數(shù)敏感性(Sobol系數(shù))以及波動(dòng)下的平均性能和方差

 參數(shù)重構(gòu)：從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)材料屬性、形狀參數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的數(shù)值任務(wù)。JCMsuit包括了各種有效工具，可以對(duì)參數(shù)值及其測(cè)量不確定性進(jìn)行時(shí)間高效和精確重構(gòu)

 預(yù)測(cè)：經(jīng)過一個(gè)學(xué)習(xí)階段，可以預(yù)測(cè)未知參數(shù)下光學(xué)器件的性能

軟件安裝及運(yùn)行環(huán)境

 操作系統(tǒng)：Windows系統(tǒng)，要求64位版本；Linux系統(tǒng)

 CPU：至少具有2.4 GHz的四核處理器，建議至少具有3 GHz八核

 RAM：8 GB，建議至少32 GB

 硬盤空間：50 GB，建議使用250 GB SSD驅(qū)動(dòng)器圖形適配器

 接口：USB 端口，DVD–ROM 光驅(qū)

軟件應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)代納米光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性使得大量的仿真非常必要。 JCMsuite提供的超嚴(yán)格的仿真可以讓設(shè)計(jì)者深刻理解相關(guān)現(xiàn)象，了解更多不同領(lǐng)域帶來的挑戰(zhàn)。

計(jì)算光刻

JCMsuite提供了完整的光學(xué)仿真鏈：對(duì)復(fù)雜照明的描述，通過光學(xué)成像系統(tǒng)和光掩模傳播的光場的計(jì)算，直至在光刻膠中形成圖像。

計(jì)算計(jì)量學(xué)

周期大于照明波長一半的結(jié)構(gòu)的光學(xué)計(jì)量已成為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)。 但是，快速嚴(yán)格的仿真技術(shù)以及設(shè)計(jì)好的測(cè)量裝備允許在深亞波長范圍內(nèi)使用光學(xué)計(jì)量方法

波導(dǎo)和光纖

JCMsuite為所有類型的波導(dǎo)（包括單模和多模光纖，光子晶體光纖，微結(jié)構(gòu)光纖，集成光波導(dǎo)，等離子體波導(dǎo)）計(jì)算波導(dǎo)模式和相應(yīng)的傳輸常數(shù)。 圓柱坐標(biāo)系和扭曲坐標(biāo)系中的模式計(jì)算允許嚴(yán)格計(jì)算波導(dǎo)彎曲的影響。

光伏

JCMsuite支持各個(gè)方面提高光電效率：分析層結(jié)構(gòu)和材料成分的效率、隨機(jī)和微結(jié)構(gòu)層、背反射器和表面的影響、規(guī)則或隨機(jī)分布的等離子體粒子的等離子體效應(yīng)以及包括頻率轉(zhuǎn)換在內(nèi)的非線性效應(yīng)。

光源

諸如激光二極管，VCSEL，LED，OLED和單光子光源之類的光源是光學(xué)設(shè)備的基本組成部分。 JCMsuite可以對(duì)其光學(xué)特性進(jìn)行有效的仿真和優(yōu)化，包括遠(yuǎn)場分布，光纖耦合效率和熱透鏡效應(yīng)。

納米結(jié)構(gòu)材料

JCMsuite允許設(shè)計(jì)和分析新型納米結(jié)構(gòu)材料的光學(xué)特性。 例如等離子體材料，手性材料，光子晶體和準(zhǔn)晶體，超材料，粗糙界面，納米復(fù)合材料等。

應(yīng)用舉例 微結(jié)構(gòu)光源光學(xué)特性的仿真和優(yōu)化

微納光學(xué)的光源通常分為兩大類：垂直發(fā)射器和水平發(fā)射器

上圖所示垂直發(fā)射器(黑色盒子)安裝在基片上或基片內(nèi)，通常情況下是多層堆棧。光線在活躍區(qū)域(黑色盒子)產(chǎn)生，并且被激發(fā)到上半部分空間。除了由阻尼材料引起的內(nèi)部損失，光能也由于輻射到基片或水平方向的光在基片層中被捕獲而損失。建立垂直光光源有以下兩種方法： 計(jì)算激光諧振腔的共振模式，可詳見案例VCSEL。

 直接將光源(電流密度)放置在活躍層中，可詳見案例量子點(diǎn)發(fā)射器在這兩種情況下，激發(fā)光束的質(zhì)量可以通過遠(yuǎn)場或傅里葉變換后處理進(jìn)行分析。

邊緣（水平發(fā)射器）：在這種情況下，激光諧振腔由一個(gè)相對(duì)較長的波導(dǎo)組成。光束在波導(dǎo)的端面水平被激發(fā)。為了設(shè)計(jì)一個(gè)邊緣發(fā)射器，計(jì)算了激光諧振腔的波導(dǎo)模式，可詳見案例大功率二極管激光器 光伏發(fā)電的衍射效率分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

薄膜硅太陽能電池依靠散射結(jié)構(gòu)將入射光衍射到更大的角度，從而在高折射率吸收材料中通過全內(nèi)反射捕獲光。它們的優(yōu)化是當(dāng)前研究的一個(gè)課題。一般來說，即使散射結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的，也可以在JCMsuite軟件中通過應(yīng)用周期邊界條件對(duì)單元進(jìn)行建模，也可以對(duì)簡單、隨機(jī)紋理薄膜太陽能電池進(jìn)行幾何定義和網(wǎng)格劃分，進(jìn)而對(duì)不同層材料的衍射、吸收效率進(jìn)行分析。

 微納光子器件的光學(xué)特性分析以及器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化衍射光學(xué)元件(DOE)通過波長維度上的圖案來操縱光通過它傳播的相位和振幅。典型的非對(duì)稱光柵有周期圖案(光柵)、菲涅耳透鏡、孤立目標(biāo)圖案、二元光柵、光闌等。

下圖概述了模擬光從DOE散射的典型裝置:

通常，DOE駐留在介質(zhì)襯底上。照明光場(如平面波)從下方或上方照射到DOE。這激發(fā)了透射場和反射場，這是我們感興趣的典型參量。JCMsuite計(jì)算近場電磁場，并使用它通過傅里葉變換或遠(yuǎn)場評(píng)估后處理的方式來推導(dǎo)遠(yuǎn)場(透射和反射)。

對(duì)于周期結(jié)構(gòu)，傅里葉變換后處理產(chǎn)生離散衍射模。對(duì)于孤立問題，傅里葉變換由連續(xù)分布的散射場和由平面波照明產(chǎn)生的最終離散模式組成。結(jié)合傅里葉變換，您可以使用光學(xué)成像后處理來形成由成像工具(如顯微鏡)產(chǎn)生的圖像。